CN105977335B - 短波光学热探测器及其焦平面阵列器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短波光学热探测器及其焦平面阵列，所述短波光学热探测器包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，所述光热探测结构包括热敏感线和能产生局域表面等离激元共振的导电纳粒子。当特定波长的电磁辐射作用于导电纳粒子时产生局部表面等离激元共振而形成热点，从而引起热敏感线升温而导致其电参数发生变化，从而实现探测器对特定电磁辐射的探测。通过调节导电纳粒子的几何参数和组合不同参数导电纳粒子，实现选择性光谱辐射探测和多波段辐射探测。本发明的光热探测器结构简单，用于实现低成本短波光学(紫外、可见光和近红外)波段探测器及其焦平面阵列成像器件。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器技术，具体地指一种光热型探测器及其焦平面阵列，用于探测短波光学波段(紫外、可见光和近红外)的电磁辐射。
背景技术
光电探测器的物理效应通常分为光子效应和光热效应，对应的探测器分别称为光子型探测器和光热型探测器。各种光子型探测器的共同特征是采用半导体能带材料，光子能量对探测材料中光电子的产生起直接作用，故光子型探测器存在截止响应频率或波长，且光谱响应限于某一波段，因此不同的材料体系决定了探测器具有不同的响应波长范围，一般难以用于宽谱或多谱段探测。对于光热型探测器，在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，从而引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化，故光热效应与光子能量的大小没有直接关系，光热型探测器原则上对频率没有选择性。由于红外波段特别是中长波红外以上波段的光热效应相比紫外和可见光更明显，故光热探测器通常用于中长波光学辐射的探测，典型的光热型探测器包括微测辐射热计、热释电探测器和热偶探测器等种类。由于温度升高是热积累的作用，基于光热效应的热探测器一般响应速度较慢，在毫秒量级。
如上所述，用于紫外、可见光和近红外等波段的短波光学探测器主要是光子型探测器，而光热型探测器由于对短波光学波段的电磁辐射吸收很低，故探测率和响应时间都比已知的光子型探测器差很多，因此几乎没有得到应用。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种短波光学热探测器及其构成的焦平面阵列器件，该短波光学热探测器结构简单且具有高探测率和高响应速率，可用于构建低成本的紫外、可见光和近红外电磁辐射探测器。
实现本发明目的采用的技术方案是：一种短波光学热探测器，包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，所述光热探测结构包括热敏感线和能够产生局域表面等离激元共振(LSPR)的导电纳粒子。
本发明还提供一种通过M×N个上述的短波光学热探测器以二维形式紧密排布构成焦平面阵列面阵成像器件。
本发明短波光学热探测器的工作原理如下：当特定波长的电磁辐射作用于热敏探测结构中的导电纳粒子时，电磁辐射与导电纳粒子中的自由电子发生耦合，产生局部表面等离激元共振而形成热点，随后引起热点附近热敏感线升温同时导致其电参数发生变化。这种电参数变化能够被信号读出电路或外电路探测到，从而实现探测器对特定电磁辐射的探测。传统的热探测器如微测辐射热计采用表面多层薄膜结构或由薄膜形成的表面共振腔结构获得高的红外吸收效果，而本发明的热探测器则主要利用导电纳粒子的LSPR共振热效应产生红外辐射的吸收，原理明显不同。另外，相比传统热探测器，本发明中光热探测结构的宽度为前者的1/10至1/50，其热容小很多，因而不仅LSPR热点产生的温度变化显著，且这种变化更迅速，更有利于实现快响应探测器。
本发明可以达到如下的有益效果：
(1)器件结构简单，制作工艺与CMOS工艺兼容。无需采用传统的窄带隙半导体和化合物半导体能带材料制作短波长探测器，而是利用导电纳粒子的LSPR特性接收光辐射能量并转换成热量，热量的探测则采用热敏感线，因此电磁辐射的接收和热量的探测功能是分离的，这样有利于独立优化导电纳粒子和热敏感线的结构参数。
(2)探测光谱可调，且探测结构和处理电路通用性强，成本低。通过改变导电纳粒子的材料或几何参数，就可以调节探测器的响应波长，故探测光谱可调。另外，不同结构参数的导电纳粒子可采用相同的热敏感线和信号处理电路，因此不同光谱和波段辐射的探测可共用也可通用，将大大降低成本。
(3)易于实现宽谱探测或多带探测。通过采用多个含有不同纳粒子的光热探测结构的组合，能够在一个探测器中获得多个波段的响应，因此可用于构建宽谱或多带探测器。
(4)响应速度快，可以媲美光子型探测器。相比于传统的微测辐射热计等面接收探测器，由于本发明中的光热探测结构具有小得多的线宽度和特殊的光热结构，热质量很低，故本发明的器件还具有比传统热探测器响应速度更快的特点，热时间常数可以降低到微秒甚至纳秒量级，与某些快响应光子型探测器相当。
附图说明
图1为实施例1短波光热探测器的结构示意图。
图2为图1的A-A向剖示图。
图3为本发明光热探测器运行原理框图。
图4为Al纳米盘在短波光辐照下的光谱温升曲线图。
图5为具有不同粒子直径的Al纳米盘的消光效率曲线图。
图6为实施例2光热探测器中光热探测结构的截面示意图。
图7为实施例3光热探测器中光热探测结构的截面示意图。
图8含有多个纳粒子的多波段或宽带探测器的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
如图1和图2所示，本实施例短波光学热探测器包括光热探测结构10，两条电极11，12，两个电接触点或金属焊盘13和14以及硅衬底20组成，其中两条电极11，12的两端分别连接光热探测结构10与电接触点或金属焊盘13，14。光热探测结构10至少由热敏感线22和导电纳粒子15组成，热敏感线22与衬底20之间有绝缘介质层21。电接触点或金属焊盘13和14与衬底20上的读出电路或外电路(未示出)互连导通。绝缘介质层21优选二氧化硅。
本实施例短波光学热探测器的运行原理如图3所示，入射光照射到导电纳粒子15激发局部等离子体共振引起场增强，纳粒子中的自由电子气在强电场作用下振荡剧烈，从而引起内部晶格共振而产生大量热能导致其温度上升，随后引起周围热敏感线22升温，热敏感线22的电参数发生变化而通过电接触点被衬底上的信号读出电路或外电路测量。
该探测器的特征在于：光热探测结构中含有热敏感线以及与热敏感线接触的可激发LSPR并实现光热转换的导电纳粒子。通过调节导电纳粒子的几何参数能够调节共振波长，从而调节探测器的响应光谱。如果同时还有多个不同的导电纳粒子则可能产生多个共振波长，从而构成多波段或宽波段探测。
传统观点认为紫外和可见光辐照金属薄膜时，其光热效应不明显，但是在纳粒子激发局部等离激元共振条件下，局部场强大大增强，在强场作用下电子振荡引起的局部加热会导致温升大幅提高。本实施例中导电纳粒子采用直径为100nm厚度为30nm的Al盘，热敏感线为氧化钒(VOx),其宽度为300nm，长度为4μm，TCR为-1.8％/℃，方块电阻为8KΩ/□。图4显示在单色辐照强度为30W/m2的短波光(波长范围0.2～2.0μm)辐照下的光谱温升曲线，其中峰值响应波长为350nm，峰值温升接近0.5K，在常温下该温升将导致VOx线的电阻下降约0.94KΩ，该值易于被外部测量电路或衬底上的信号读出电路测出。
导电纳粒子LSPR的共振波长与纳粒子材料、形状、几何尺寸和所处的环境介质有关。改变这些因素可调节共振波长峰值位置、共振带宽和光谱强度。在紫外波段，可以激发等离激元共振的导电材料有单质金属如Al、Mg、Ga、In、Rh、Cr、Ti、Cu、Pt等以及合金如GaMg等。其中与CMOS工艺兼容的Al是制作导电纳粒子的首选材料，其等离子频率ωp≈15eV，相比于在可见和近红外波段的常用SPP金属Au和Ag(等离子频率为ωp≈8-9eV)具有更高的等离子体频率，意味着Al更易于在高能量波段即紫外波段激发表面等离激元。图5给出了具有不同直径的单个Al纳米盘的消光效率分布，消光效率可以反映纳粒子对电磁辐射的共振耦合效率，可以看出，通过改变纳米盘直径，能够调节消光效率的峰值谱，即改变探测器的探测波长位置。
本发明光热探测器中的导电纳粒子的几何形状可以是球状、圆盘状、杆状、线状、三角形状、五角星形状、长方形或方形等形状，还可以是其他更复杂的图形如分形图形。导电纳粒子可以是单个纳粒子，还可以是由多个纳粒子组成的周期或非周期阵列结构。阵列形式的导电纳粒子可以用于增强共振强度和光热效应，或者产生多个共振峰从而扩展响应谱宽度。
本实施例中的热敏感线材料可以是热敏电阻材料，如氧化钒(VOx)、非晶硅、Si-Ge、YBCO、NiO等，它们一般具有比较高的电阻温度系数(TCR)，其绝对值大于1％/℃。热敏感线材料还可以是热释电材料和热电偶等现有可感知热量变化的其他热敏感材料。另外，导电纳粒子与热敏感材料的位置关系可以有多种形式，如导电纳粒子15位于热敏感线22的下方，或导电纳粒子15嵌入在热敏感线22中。金属纳粒子和热敏感线之间还可以有其他介质将两者分开，介质材料的选取及其厚度以不明显降低纳粒子附近热敏感线的热产生效率为原则。
实施例2
为进一步改进提高吸收效率，减少纳粒子散射引起的光能损失，如图6所示，本发明还提供一种短波光学热探测器的优选实施例，本实施例与实施例1的不同之处在于：导电纳粒子15嵌入在热敏感线22中，并在热敏感线22下方增加一金属反射层25，金属反射层25与热敏感线22之间有低热导的绝缘介质层21，绝缘介质层21材料优选二氧化硅。另外，热敏感线22表面还含有钝化保护层23。改进后的结构将到达反射层的入射或散射电磁辐射反射回光热探测结构，能够增强热敏感线22对电磁辐射的捕获能力，进而增强对入射电磁辐射的吸收能力。金属反射层25除了图示的平面形状外，还可以是具有一定反射聚光能力的曲面形状。
实施例3
本实施例相对于实施例2的进一步改进在于：在光热探测结构下方有由隔离层27腐蚀得到的空腔26以及金属反射层25，如图7所示。空腔26用于阻断热探测结构通过其下方衬底的热导损失，起到热隔离作用，同时当其高度满足探测波长的四分之一时还会形成共振吸收，能够显著增强该波长附近的吸收率。隔离层27所用的材料可从无机介质如氧化硅、氮化硅或有机聚合物如聚酰亚胺或BCB中选择。空腔26的介质为惰性气体或真空。本实施例中，绝缘介质层21位于隔离层27与热敏感线22之间。
考察本实施例中探测器的热导和热时间常数。光热探测结构吸收辐射后产生的热量主要通过两端的电极传导到衬底和通过环境气体介质传导到衬底和周围封盖。若热敏感线VOx的宽度为0.5μm，长度为4μm，高度为0.15μm,Au电极宽度为1μm,则通过电极的热导约为3×10-8W/K。另外，该探测结构在1个大气压的气体热导约为2×10-8W/K，与电极传导的热导，但是相比传统的面接收微测辐射热计(如光敏面积17μm×17μm)的气体热导低约2个数量级。因此，本发明的光热探测器大大降低对真空封装的要求，甚至可以只采用普通的气密性封装，封装成本将大大降低。另外，本实施例的光热探测结构的热容约为10-13J/K，比传统微测辐射热计小约3个数量级。根据热时间常数公式τ＝C/G，可估算τ～10μs。可见，本实施例中的光热探测器的热时间常数能够达到微秒量级，可以媲美某些光子型探测器。
实施例4
在上述实施例基础上，通过集成多个光热探测结构构成多光谱或多波段宽带探测器，即同时对多个波段电磁辐射敏感。图8所示的多波段或宽带光热探测器包含三个并联的光热探测结构，它们的两端分别连接到金属条28和金属条29，金属条28和金属条29再分别与电极11和12相连。三个光热探测结构上分别含有不同尺寸的纳粒子15A、15B和15C，从而具有不同的敏感波长范围，对应具有不同的峰值敏感波长λA、λB和λC。若这些峰值敏感波长彼此接近，组合起来则可构成一个较宽的敏感带，从而可用于实现宽带探测器。若多个导电纳粒子分别为图5所示的不同直径的Al纳盘，由于LSPR效应产生的消光谱的峰值波长将分别位于紫外、可见光和近红外波段，因此该探测器的探测波长范围将覆盖紫外、可见光和近红外三个波段，成为多波段宽带探测器。在实际构成的由多个光热探测结构组成的探测器中，光热探测结构还可以采用串联或其他结合形式。
需指出的是，本实施例中的光热探测器，虽然针对多波段短波光学辐射探测，实际上还可以将其中的某些光热探测结构的共振波长调节到中长波红外波段，构成紫外/长波红外、可见/长波红外双波段探测器等。
本发明的光热探测器可以作为一个像素单元用于构建焦平面阵列器件。当M×N个光热探测器以二维形式紧密排布，将构成面阵成像器件。上述实施例中的电接触点和电极线的排布进行适当修改，以便适应与衬底上的CMOS读出电路的互连，光热探测结构的平面布局也做适当变化以适应每个像素单元的形状。当构成多波段面阵探测器时，探测波段的选取可以通过每个像素的波段选择开关电路实现。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种短波光学热探测器，包括电极、电接触点、光热探测结构和衬底，电极的两端分别与电接触点和光热探测结构连接，其特征在于：所述光热探测结构包括热敏感线和能产生局域表面等离激元共振的导电纳粒子，通过入射光照射到导电纳粒子激发局部离激元共振而形成热点，引起热点附近热敏感线升温，同时导致热敏感线电参数发生变化，使得电参数的变化能够被探测到。
2.根据权利要求1所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述热敏感线的宽度≤2μm。
3.根据权利要求1所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述热敏感线材料包括VOx、α-Si、Si-Ge、YBCO或NiO；所述导电纳粒子由金属Al、Mg、Ga、In、Rh、Cr、Ti、Cu、Pt、Au、Ag以及合金GaMg之一制成。
4.根据权利要求3所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述的导电纳粒子为单个纳粒子或由多个纳粒子组成的周期或非周期阵列结构；单个钠粒子的形状为球形、圆盘形、方形、长方形、三角型、十字形或星形。
5.根据权利要求4所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述的导电纳粒子几何尺寸与电磁辐射直接作用部分的尺寸至少一维小于1μm。
6.根据权利要求5所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述的导电纳粒子位于热敏感线的下方，或者导电纳粒子嵌入在热敏感线中。
7.根据权利要求6所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述热敏感线下方设有金属反射层，金属反射层与热敏感线之间设有绝缘介质层，所述金属反射层为平面或曲面；所述热敏感线表面还设有钝化保护层。
8.根据权利要求6所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述光热探测结构下方设有由隔离层腐蚀得到的空腔以及金属反射层，光热探测结构与金属反射层之间通过空腔形成四分之一波长的共振吸收腔，增强探测结构对入射辐射的吸收率；所述隔离层与热敏感线之间设有绝缘介质层。
9.根据权利要求1～8任一项所述的短波光学热探测器，其特征在于：所述光热探测结构为多个，多个光热探测结构并联或串联在两个电极之间。
10.一种焦平面阵列器件，其特征在于：通过M×N个权利要求1～9任一所述的短波光学热探测器以二维形式紧密排布构成面阵成像器件。
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